AP09058270 Оценка биохимической активности ферментов репарации ДНК клинически важных бактерий

Устойчивость к антибиотикам является серьезной проблемой для здравоохранения во всем мире. Существует острая необходимость в разработке новых антибактериальных мишеней.

Бактериальные патогены постоянно подвергаются широкому спектру повреждений ДНК. Несмотря на то, что механизмы репарации ДНК хорошо изучены, гораздо меньше известно об этих процессах у таких важных бактерий, как Mycobacterium tuberculosis, Staphylococcus aureus и т.д. Необходимо понять, как широкая группа клинически значимых бактерий репарирует повреждения геномной ДНК. Изучение репарации ДНК важно для понимания процессов, ведущих к антибиотикорезистентности бактерий в организме человека.

Актуальность

Растущее число устойчивых к противомикробным препаратам патогенных микроорганизмов, которые все чаще ассоциируются с внутрибольничной инфекцией, ложится значительным бременем на системы здравоохранения и влечет за собой глобальные экономические издержки. В Казахстане был разработан «Стратегический план по сдерживанию резистентности к противомикробным препаратам в Республике Казахстан».

Более глубокое понимание механизмов возникновения мутаций может заложить основу в прогнозировании неизвестных механизмов устойчивости к антибиотикам, фундаментальные аспекты которых, возможно будет применить к патогенам с МЛУ.

Находясь в организме, патогены постоянно подвергаются влиянию агентов окислительного стресса, что приводит к повреждениям ДНК. Репарация повреждений ДНК играет важную роль в поддерживании стабильности геномов возбудителей. Ферменты репарации имеют огромную функциональную значимость в защите бактерий. Появляются публикации, подчеркивающие необходимость исследований ферментов репарации в качестве новых лекарственных мишеней Научная новизна проекта состоит в том, что впервые будут биохимически охарактеризованы ферменты репарации ДНК TagA (M.tuberculosis H37Rv) и Ung (H.pylori) у клинически значимых патогенов. Предполагается, что мутации в генах ферментов репарации ДНК могут способствовать адаптации и персистированию патогенов в организме. Мутантные фенотипы, образующиеся после мутаций в генах репарации ДНК, были описаны в бактериях и были ассоциированы с появлением лекарственно-устойчивых штаммов. Например, у H.pylori, учитывая минимальный набор ферментов репарации ДНК и высокую частоту мутаций, патоген адаптируется к окружающей среде и обретает антибиотикорезистентные свойства. Антибиотики на сегодняшний день нацелены только на ферменты, которые синтезируют белок, нуклеиновые кислоты, клеточные стенки и т.д. Фундаментальная новизна этой работы заключается в расширении спектра целей, включающих ферменты репарации ДНК.

Цель

Структурно-функциональное изучение ранее не изученных ферментов репарации ДНК M.tuberculosis и H.pylori. Полученные результаты предоставят критические идеи, каким образом репарационные механизмы ассоциированы с резистентностью патогенов к генотоксическому стрессу.  Мы ожидаем, что понимание механизмов репарации ДНК предложит новые стратегии по борьбе с инфекциями и появлением устойчивости к антибиотикам.

Ожидаемые результаты

Полученные в ходе проекта знания, имеют предпосылки в понимании персистирования патогенов внутри организма-хозяина, образования мутантных штаммов, что может послужить базой для определения кандидатов-белков с целью их использования в качестве лекарственных мишеней. Полученные новые знания в области роли ферментов репарации ДНК в мутагенезе могут привести к обнаружению хороших кандидатов лекарственных мишеней для эффективного лечения заболеваний. Детальное изучение биохимической активности ферментов репарации ДНК патогенных клинически значимых микроорганизмов имеет предпосылки к разработке методов лечения и профилактике против патогенов.

Руководитель проекта

Абельденов Сайлау Касенович, PhD, Web of Science ResearcherID F-5139-2015

Члены исследовательской группы

 Тургимбаева Айгерим Макашкызы, Web of Science ResearcherID N-6857-2017

 Кириллов Савелий Олегович, Web of Science ResearcherID N-6322-2017

 Ли Павел Константинович

Публикации и охранные документы по теме проекта

  1. Characterization of biochemical properties of an apurinic/apyrimidinic endonuclease from Helicobacter pylori. Turgimbayeva A, Abeldenov S, Zharkov DO, Ishchenko AA, Ramankulov Y, Saparbaev M, Khassenov B. PLoS One. 2018 Aug 15;13(8):e0202232. doi: 10.1371/journal.pone.0202232. eCollection 2018. Цитирования – 2, Q1
  2. Obtaining and characterization of monoclonal antibodies against recombinant extracellular domain of human epidermal growth factor receptor 2. Sarina N, Abeldenov S, Turgimbayeva A, Zhylkibayev A, Ramankulov Y, Khassenov B, Eskendirova S. Hum Antibodies. 2018 Feb 5;26(2):103-111. doi: 10.3233/HAB-170327.Цитирования – 1, Q3
  3. Characterization of DNA substrate specificities of apurinic/apyrimidinic endonucleases from Mycobacterium tuberculosis. Abeldenov S, Talhaoui I, Zharkov DO, Ishchenko AA, Ramanculov E, Saparbaev M, Khassenov B. DNA Repair (Amst). 2015 Sep;33:1-16. doi: 10.1016/j.dnarep.2015.05.007. Epub 2015 May 22.Цитирования – 8, Q1
  4. Абельденов С.К., Раманкулов Е.М., Сапарбаев М.К., Хасенов Б.Б. Получение мутантных форм микобактериальной АП эндонуклеазы MtbXthA. Вестник Казахского Национального Университета имени аль-Фараби. 2015.
  5. Абельденов С.К., Раманкулов Е.М., Сапарбаев М.К., Хасенов Б.Б. Репарационная активность микобактериального белка MtbNfo. Научный журнал «Вестник» Евразийского Национального Университета имени Л.Н. Гумилева, 2015.
  6. Рекомбинантный штамм Esсherichia coli ArcticExpress(DE3)RP/pAppA, продуцирующий фосфогидролазу AppA, № \
  7. Способ получения термостабильной ДНК полимеразы бактерии Thermus aquaticus Taq-pol с помощью рекомбинантного штамма Esсherichia coli BL21/pTPh, №
  8. Способ получения термостабильной ДНК полимеразы бактерии Thermus aquaticus Taq-pol с помощью рекомбинантного штамма Escherichia coli BL21(DE3) /pTPM, № 29152
  9. Штамм Esсherichia coli BL21(DE3)/pTth, продуцирующий термостабильную рекомбинантную ДНК полимеразу бактерии Thermus thermophilus, № 33100
  10. Рекомбинантный штамм Pichia pastoris X-33/AppA, продуцирующий бактериальную фитазу AppA, № 32368.
  11. Characterization of biochemical properties of an apurinic/apyrimidinic endonuclease from Helicobacter pylori. Turgimbayeva A, Abeldenov S, Zharkov DO, Ishchenko AA, Ramankulov Y, Saparbaev M, Khassenov B. PLoS One. 2018 Aug 15;13(8):e0202232. doi: 10.1371/journal.pone.0202232. eCollection 2018.
  12. Features of DNA repair mechanisms in human pathogens // Eurasian journal of applied biotechnology. – 2017
  13. Изучение ферментов репарации ДНК патогенных микроорганизмов // Материалы международной конференции молодых ученых «Мир науки и молодежь: тенденции и новые горизонты». Караганда, 2017
  14. Heterologous extracellular expression of bacterial phytase (AppA) in Pichia pastoris and it biochemical characterization. Eurasian journal of applied biotechnology, 2016
  15. Expression, purification and biochemical characterization of recombinant phosphohydrolase AppA in Escherichia coli. Биотехнология. Теория и практика, Астана, 2014
  16. Extracellular expression of acid phytase AppA in Pichia pastoris. Conference for Young Scientists, 2015, Kyiv, Ukraine
  17. Cloning and purification of large fragment of DNA polymerase I from Geobacillus stearothermophilus and it’s application in isothermal DNA amplification. Eurasian journal of applied biotechnology 2017
  18. Expression and purification of DNA polymerase from Thermus thermophilus in coli expression system. Eurasian journal of applied biotechnology 2017

Достигнутые результаты

2021 г.

Получены гены ферментов репарации TagA и Ung. Получены генетические конструкции с клонированными генами tagA и ung. Подтверждено отсутствие делеций, вставок и мутаций в генах ферментов репарации. Проведена трансформация клеток E. coli, подобраны условия экспрессии и очистки и наработаны различные формы рекомбинантных белков  TagA и Ung.

2022 г.

Определена репарационная активность белка TagA и Ung в условиях  in vitro и определена их субстратная специфичность в отношении модифицированных оснований. Определены кинетические параметры констант связывания белков TagA и Ung с флуоресцентно мечеными ДНК-зондами. Проведены работы по кристаллизации ферментов.

Публикации и охранные документы

2022 г.

Rysbek A., Ramankulov Ye., Kurmanbayev A., Richert A., Abeldenov S. Comparative characterization and identification of poly-3-hydroxybutyrate producing bacteria with subsequent optimization of polymer yield // Polymers. — 2022. — Vol. 14, No. 2. — Article number: 335. Doi: https://doi.org/10.3390/polym14020335.